Download CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS SÍSMICOS DE LA CIUDAD DE

CARACTERÍSTICAS DEL EVENTO SÍSMICO
DE JULIO 4 DE 2009 REGISTRADO POR LA RED
DE MOVIMIENTOS FUERTES DE LA UTP,
PANAMÁ
Carlos A. Ho, Alexis Mojica, Jaime Toral y Nieves Bernal
Laboratorio de Ingeniería Aplicada
Centro Experimental de Ingeniería
Universidad Tecnológica de Panamá
Resumen
El objetivo de este trabajo se enfoca en presentar algunos resultados
correspondientes a las características físicas del evento sismológico sensible que
tuvo lugar la madrugada del 4 de julio del 2009, a través del análisis de los datos de
aceleración registrados por la red de acelerógrafos dentro de algunos edificios de la
Ciudad de Panamá. De dicha red, se eligieron 4 edificios en base a su ubicación,
tipo de suelo y la geología del área donde reposan. Para conocer algunas
características físicas de estos edificios, los registros fueron sometidos a una serie
de tratamientos que incluyen su representación en el dominio de las frecuencias y
en uno de ellos, los desplazamientos en el plano x – y para visualizar el movimiento
orbital en la azotea; este mismo edificio es sometido a un análisis de Half – Power
Bandwidth con el objetivo de obtener información referente a los modos de
vibración del mismo. Finalmente, una comparación entre estos datos con la
información suministrada por el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) fue
realizada, encontrándose una fuerte analogía entre éstos.
Palabras claves: acelerogramas, ciudad de Panamá, sismo, transformada de Fourier,
espectros de amplitud, movimiento orbital, Half – Power Bandwidth.
1. Introducción
Como bien lo menciona el documento administrativo gubernamental correspondiente a la
Gaceta Oficial de 2000, a la Universidad Tecnológica de Panamá (UTP) le corresponden
las tareas de custodiar y operar a nivel nacional tales disposiciones obligatorias de la Norma
de Instrumentación Sísmica de edificios, en cumplimiento a lo acordado en el Reglamento
Estructural Panameño (REP – 94). Esta iniciativa a través del Centro Experimental de
1
Ingeniería (CEI) actualmente, conlleva la necesidad de conocer la respuesta dinámica de los
edificios altos o voluminosos nuevos, ante la incidencia y eventualidad de darse un evento
sísmico fuerte y de parámetros desconocidos (Toral y Ho, 2005).
Todo el Istmo de Panamá se encuentra ubicado sobre una sub-placa tectónica referida
inicialmente con el nombre de Bloque de Panamá; su estructura geológica es el resultado de
4 placas litosféricas: la del Coco al Suroeste, la Caribe al Norte, la de Nazca del Norte al
Sur y la de los Andes del Norte al Este (Víquez y Toral, 1987; Adamek et al, 1988; Moore
y Sender, 1995; Kolarsky, 1995; Pratt et al, 2003). Este bloque tectónico rígido e
independiente se especializa por generar sismos algo fuertes pero poco frecuentes, en los
bordes oceánicos y los continentales entre países vecinos (vea Figura 1), hasta un máximo
probable e histórico creíble de magnitud 7,8.
Figura 1 Epicentros soluciones del ISC en el Istmo de Panamá de 1960 a 2007 (6) de magnitud mayor a 4.
El 4 de Julio de 2009 (hora local 01:49:36 a.m.) se generó y sintió durante unos 10
segundos (> 50 mm/s2) un temblor de magnitud 6,0 Mw, con coordenadas geográficas
epicentrales en 9,65 °N y 78,98 °W, al Este de la Provincia de Colón (ver Figura 2). El
evento alcanzó una intensidad instrumental de V MM en Ciudad de Panamá, que concuerda
2
con el reporte de ningún efecto adverso ni daños notorios. El último evento con intensidad
similar había acaecido en agosto 13 de 2003.
En este mismo mapa se aprecian principales características tectónicas de la República de
Panamá: en la parte Norte se encuentra el Cinturón Deformado del Norte de Panamá; al Sur
se encuentra el Cinturón Deformado del Sur de Panamá. Al Suroccidente se localizan un
conjunto de varias fallas largas y paralelas de transformación: la Zona de Fractura de Coiba
(ZFC), la Zona de Fractura de Balboa (ZFB) y la Zona de Fractura de Panamá (ZFP); y al
Este la Zona de Sutura Panama – Colombia.
Figura 2 Panorama tectónico del Istmo de Panamá (ZFC – Zona de Fractura de Coiba, ZFB – Zona de
Fractura de Balboa y ZFP – Zona de Fractura de Panamá) y ubicación del evento sísmico ocurrido el 4 de
Julio de 2009.
El evento sísmico bajo estudio ocurrió a 43 km de profundidad, a una distancia de 95 km al
NE de la Ciudad de Panamá. Esta zona muestra una incipiente subducción entre placas y
con eventos algo similares de la misma fuente, energía liberada, mecanismo de falla y
características de radiación, dados en años recientes y en febrero 26 de 2000.
Este trabajo tiene por objetivo específico presentar los resultados del evento principal,
respecto a los señales sísmicas obtenidas en 4 edificios específicos que forman parte de la
red de acelerógrafos en cuatro sectores seleccionados por su carácter geotécnico dentro la
Ciudad de Panamá. Esto permitirá conocer algunas características sísmicas de estas zonas
(nivel de amplificación) donde se concentra por razones de inversión y desarrollo
constructivo la mayor cantidad de acelerógrafos de todo el territorio nacional.
3
2. Contexto geológico de la ciudad de Panamá
De acuerdo a los trabajos de Hermansson y Landgren (1998), las rocas profundas de la
Ciudad de Panamá se encuentran influenciadas por la Formación Panamá, en ella se hacen
presentes dos fases: la Volcánica y la Marina.
665000
669000
1002000
661000
1002000
657000
998000
998000
2 km
E4
E3
994000
994000
E1
Océano Pacífico
657000
FORMACIONES GEOLÓGICAS
Sedimentos Holocenos
Panamá (Fase Volcánica)
Panamá (Fase Marina)
Las Cascadas
La Boca
661000
665000
990000
990000
E2
669000
ROCAS INTRUSIVAS, EXTRUSIVAS Y VOLCÁNICAS
dacitas, intrusivas y dacita pórfido, Mioceno
basalto intrusivo y extrusivo, Mioceno Medio y Superior
andesita intrusiva, extrusiva, Oligoceno y Mioceno Inferior
Figura 3 Mapa geológico generalizado de la ciudad de Panamá y ubicación de los 4 edificios de interés
(Stewart et al, 1980; Hermansson y Landgren, 1998).
La Formación Panamá – Fase Volcánica es la más predominante en la ciudad; la misma
está compuesta de aglomerados formados cuando grandes cantidades de lava fueron
expulsadas y encajaron en polvo y arena. La Figura 3 muestra las formaciones geológicas
locales y la ubicación de los edificios instrumentados y seleccionados en este estudio. Esta
Formación geológica es además consolidada. En este caso, se tiene andesita y grano fino de
tobas; que incluye también corriente depositada de conglomerado. La formación tiene su
4
origen en el Oligoceno Temprano a Tardío. Por otro lado, la Formación Panamá – Fase
Marina consiste de arenisca tobácea, sedimento tobáceo y roca caliza con fósiles. La
arenisca es sedimento de arena que luego pasó a ser roca algo dura después del proceso de
compactación y sedimentación. En el sector SW se pueden identificar: (i) los sedimentos
Holocenos no diferenciados, como aluviones y rellenos formados durante el Holoceno, (ii)
los esquistos arcillosos, lutitas, areniscas, tobas y calizas, típicos de la Formación La Boca
del Mioceno Inferior y (iii) andesitas del Oligoceno y Mioceno Inferior. Existe además un
conjunto de características geológicas distribuidas en menor escala como los basaltos
intrusitos y extrusivos que datan del Mioceno Medio y Superior. En la sección NE la
Formación Lajas sus componentes son aluviones y sedimentos consolidados. La Tabla 1
muestra las características geológicas y formación en donde se ubican los edificios
seleccionados.
Tabla 1 Características geológicas de los edificios seleccionados en este estudio.
Edificio
Ubicación (UTM)
E1
663137 mE, 995615 mN
E2
664025 mE, 992954 mN
E3
667781 mE, 996399 mN
E4
667218 mE, 996846 mN
Formación
Panamá Fase
Volcánica
Sedimentos
Holocenos
(Lajas)
Elementos geológicos
Aglomerado andesítico en tobas
de grano fino; conglomerados
depositados por corrientes
Sedimentos no diferenciados
principalmente marinos,
manglar, aluvión o relleno
4. Metodología e instrumentación de los edificios seleccionados
Los acelerógrafos con que cuentan los edificios seleccionados en este estudio, tienen la
capacidad de registrar señales en los tres ejes perpendiculares (x, y, z) y de esta información
se puede obtener datos referentes a las velocidades y desplazamientos. De esto, dichos
dispositivos se encuentran en la capacidad de registrar parámetros del historial de las
aceleraciones por un sismo dentro de una estructura ingenieril (Toral y Ho, 2005). Gracias a
las nuevas herramientas informáticas sobre tratamiento numérico de señales, es posible
además conocer los desplazamientos orbitales en las azoteas de los edificios, y otras
características físicas de las estructuras cuando se analizan las señales obtenidas en el
dominio frecuencial (Transformada Rápida de Fourier). La Tabla 2 ilustra otras
características de los edificios seleccionados y el tipo de instrumentos sísmicos que se
instalaron.
5
Tabla 2 Características físicas e instrumentación sísmica de los edificios seleccionados en este estudio.
Edificio
E1
E2
E3
E4
Cantidad de
Pisos
20
36
48
33
Cantidad de
acelerógrafos
1
2
2
2
Instrumentación
Syscom MR2002
GeoSIG
Syscom MR2002
GeoSIG
En esta tabla el proyecto E1 presenta un solo acelerógrafo pues la Norma define dicha
cantidad en términos del número de pisos de la estructura. Luego del evento sísmico que se
hizo sentir el 4 de Julio de 2009, se procedió a recuperar la información almacenada dentro
de estos edificios; posteriormente los datos fueron analizados de forma individual, tanto
para la azotea como para la planta baja en alguno de ellos.
5. Resultados obtenidos
Los registros obtenidos en las azoteas de algunas de las estructuras seleccionadas en este
trabajo pueden ofrecer información sobre los efectos de pulsación y modulación de la señal
como respuesta dinámica de oscilación libre y excitada de la estructura. A continuación se
presentan los resultados obtenidos en cada uno de los edificios seleccionados:
Edificio E1
La Figura 4 ilustra los acelerogramas en las tres componentes (x, y, z) o canales (1, 2 y 3)
registrados en la planta baja. Para el evento dado, los valores máximos de aceleración de
entrada obtenidos fueron de: ax = 237 mm/s2 (0,0242g), ay = 244 mm/s2 (0,0249g) y az =
156 mm/s2 (0,0159g), o Intensidad Mercalli de IV. Apreciado esto en el dominio de las
frecuencias, nos encontramos con las siguientes frecuencias dominantes: fx = 7,874 Hz, fy =
7,190 Hz y fz = 6,750 Hz; la Figura 5 presenta tales espectros para cada uno de los canales
(x, y, z) o (Ch 1, 2 y 3).
6
Figura 4 Acelerogramas en las 3 componentes obtenidos en la planta baja del Edificio E1 (20 pisos)
correspondientes al evento de 4 de Julio de 2009 con magnitud 6,0; costa arriba de Colón.
Figura 5 Amplitudes de Fourier debidas al sismo del 4 de Julio de 2009 en las 3 componentes (E1).
Edificio E2
Este edificio, con 36 pisos cuenta con un juego de 2 acelerógrafos (planta baja y azotea). La
Figura 6 ilustra los acelerogramas en cada una de las componentes (x, y, z) registrados en la
7
azotea del edificio, mezcla de la interacción sismo, suelo y edificio, como respuesta del
evento del día 4 de Julio de 2009.
Figura 6 Acelerogramas de las 3 componentes obtenidos en la azotea del Edificio E2 (36 pisos)
correspondientes al evento de 4 de Julio de 2009 con magnitud 6,0; costa arriba de Colón.
De acuerdo a estos resultados, los máximos valores de aceleración registrados en la azotea
de E2 corresponden a ax = 1011 mm/s2 (0,103g), ay = 1102 mm/s2 (0,112g) y az = 1009
mm/s2 (0,103g). Por otra parte, las frecuencias fundamentales obtenidas a través del análisis
de Fourier revelan valores bastante bajos: fx = 1,32 Hz, fy = 1,32 Hz y fz = 3,96 Hz; la
Figura 7 muestra los espectros en el dominio de las frecuencias para cada uno de los
canales (x, y, z).
Figura 7 Amplitudes de Fourier debidas al sismo del 4 de Julio de 2009 en las 3 componentes (E2).
Gracias a esta información, es posible visualizar el movimiento orbital de la azotea, es
decir, la manera en que se desplazó el edificio en un plano x – y. El conjunto de gráficos de
la Figura 8 ilustra el comportamiento (desplazamiento) del Edificio E2 en este plano para
diferentes intervalos de tiempo, mostrando cambios de fases según el domino de trenes de
ondas de diferente tipo o carácter (longitudinales P, de corte S y superficiales L).
8
Figura 8 Movimiento orbital de desplazamiento que muestra cambios de fases en la azotea y para las
componentes x – y en E2 (intervalo temporal de 5 s).
Este resultado mostrado en Figura 8 es normal y lo esperado a desplazamientos elásticos
por altura que experimentó en sus máximos el edificio en su parte más superior o azotea.
Con relación a los espectros registrados en la planta baja, en la Figura 9 se muestran los
mismos para cada una de sus componentes (x, y, z). En este resultado, nos encontramos con
valores máximos de aceleración en el siguiente orden de magnitud: ax = 252 mm/s2
(0,0257g), ay = 246 mm/s2 (0,0251g) y az = 142 mm/s2 (0,0145g). Para las frecuencias
fundamentales y superiores obtenidas a través del análisis de Fourier, los espectros se
ilustran en la Figura 10; ellas revelan valores de bajas frecuencias: fx = 4,74 Hz, fy = 4,00
Hz y fz = 0,83 Hz.
9
Figura 9 Acelerogramas de las 3 componentes obtenidos en la planta baja del edificio E2 (36 pisos)
correspondientes al evento de 4 de Julio de 2009 con magnitud 6,0; costa arriba de Colón.
Figura 10 Amplitudes de Fourier debidas al sismo del 4 de Julio de 2009 en las 3 componentes (planta baja
del E2).
Continuando con nuestro análisis de este Edificio, se ha procedido en calcular sus modos de
vibración y con esto, su nivel de amortiguamiento. De acuerdo a (Chopra, 2001), los modos
de vibración pueden ser obtenidos a través del Método Half – Power Bandwidth, el cual
consiste en obtener los valores de las frecuencias fa y fb obtenidas a partir de la
representación gráfica de la razón de las FFT obtenidas en el azotea y planta baja (para lasa
componente x, y) versus la frecuencia. Las frecuencias antes mencionadas se miden a partir
del máximo de amplitud del primer armónico de este gráfico dividido entre √2. La
frecuencia natural fn se obtiene del valor máximo de amplitud para dicho armónico. El
gráfico de la Figura 11 presenta la razón de la FFT de este Edificio en términos de la
frecuencia para la componente x.
10
5
70
FFT - xazotea / xplanta - baja
60
50
7
40
30
6
4
20
1
8
3
2
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Frecuencia (Hz)
Figura 11 Razón de las amplitudes de Fourier FFT entre la azotea y la planta baja para la componente x del
Edificio E2.
Como se observa en este gráfico, se pueden identificar un total de 8 modos de vibración
(armónicos). La Tabla 3 presenta las características para esta componente.
Tabla 3 Características dinámicas del Edificio E2 para cada uno de los modos de vibración (componente x).
Modo de vibrac.
1
2
3
4
5
6
7
8
FFT (xazotea/xplanta-baja)
12,40
10,67
10,70
16,92
69,55
18,95
34,24
10,68
La función de amortiguamiento
Frecuencia (Hz)
0,317
1,318
2,783
3,955
4,297
5,224
6,811
8,887
queda representada por la expresión:
f b fa
2 fn
De aquí que el amortiguamiento obtenido en esta componente es de:
11
Período (s)
3,155
0,759
0,359
0,253
0,233
0,191
0,147
0,113
0,343 0,262 Hz
2 0,317 Hz
0,128
Lo que representa un amortiguamiento del 12,8% lo cual es favorable para este tipo de
edificaciones ya que el valor mínimo permitido es de 5%.
Para la componente y, la razón de FFT de la azotea y la planta baja, en función de la
frecuencia, dio como resultado el gráfico de la Figura 12.
2
50
FFT - yazotea / yplanta - baja
40
30
20
5
1
3
4
6
7
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Frecuencia (Hz)
Figura 12 Razón de las amplitudes de Fourier FFT entre la azotea y la planta baja para la componente y del
Edificio E2.
Como en el análisis anterior, en este resultado es posible identificar un total de 7 modos de
vibración (armónicos). Las características físicas de estos modos de vibración se presentan
en la Tabla 4.
Tabla 4 Características dinámicas del Edificio E2 para cada uno de los modos de vibración (componente y).
Modo de vibrac.
1
2
3
4
FFT (yazotea/yplanta-baja)
14,353
48,182
12,883
11,208
Frecuencia (Hz)
0,293
1,391
2,808
4,272
12
Período (s)
3,412
0,719
0,356
0,234
5
6
7
15,524
10,744
8,121
5,566
7,910
9,497
0,180
0,126
0,105
El cálculo del amrotiguamiento se realiza de igual forma para el primer modo de vibración
(componente y):
0,328 0,263 Hz
2 0,293 Hz
0,111
Este resultado representa un 11,1% lo que indica un buen porcentaje en términos de
amortiguamiento.
Edificio E3
Este edificio se ubica en la parte más oriental de todo el conjunto de edificios seleccionados
en este estudio. La información que se presenta a continuación corresponde a los datos
registrados en la azotea. La Figura 13 presenta los acelerogramas obtenidos en esa parte del
edificio.
Como puede observarse, los valores máximos de aceleración corresponden a: ax = 1050
mm/s2 (0,107g), ay = 680 mm/s2 (0,0694g) y az = 756 mm/s2 (0,0771g). Por otro lado, una
representación en el dominio de las frecuencias hecho a través de la Transformada Rápida
de Fourier ofrece información referente a los picos fundamentales para cada componente
registrada en la azotea; estos resultados son: fx = 1,270 Hz, fy = 1,294 Hz y fz = 3,479 Hz.
La Figura 14 presenta los espectros de amplitud para cada una de las componentes (x, y, z)
obtenidas en este edificio.
13
Figura 13 Acelerogramas de las 3 componentes obtenidos en la planta baja del Edificio E3 (48 pisos)
correspondientes al evento de 4 de Julio de 2009 con magnitud 6,0; costa arriba de Colón.
Figura 14 Espectro de amplitudes debidas al sismo del 4 de Julio de 2009 (azotea del E3).
El conjunto de gráficos de la Figura 15 representa el movimiento orbital generado en la
azotea del edificio bajo estudio.
14
Figura 15 Movimiento orbital de desplazamiento en la azotea para las componentes x – y en el Edificio E3
(intervalo temporal de 5 s).
Edificio E4
Este proyecto consta de 33 pisos, y por problemas técnicos solamente se tuvo acceso a la
información de la planta baja. La Figura 16 muestra los acelerogramas para cada una de las
componentes (x, y, z) del evento sísmico del 4 de Julio de 2009; en ella se puede apreciar
los máximos valores de aceleración en cada componente: ax = 905 mm/s2 (0,0923g), ay =
461 mm/s2 (0,04708g) y az = 301 mm/s2 (0,03075g).
Con respecto a la representación en el dominio de las frecuencias, los valores de las
frecuencias fundamentales para cada componente son las siguientes: fx = 2,78 Hz, fy = 2,78
Hz y fz = 4,30 Hz. En la Figura 17 se presenta los espectros de amplitud para cada una de
las componentes (x, y, z) obtenidas en este proyecto.
15
Figura 16 Acelerogramas de las 3 componentes obtenidos en la planta baja del edificio Sol del Este (33
pisos) correspondientes al evento de 4 de Julio de 2009 con magnitud 6,0; costa arriba de Colón.
Figura 17 Espectro de amplitudes debidas al sismo del 4 de Julio de 2009 (planta baja del proyecto Sol del
Este).
6. Discusión y conclusiones
Tomando en consideración los registros obtenidos en la planta baja de los edificios
analizados en este estudio, el proyecto E4 ubicado al Este de la ciudad (ver Figura 3), y con
un suelo constituido de sedimentos recientes no diferenciados, presentó un máximo de
aceleración de 0,0923g en la componente x (ver Figura 14). Los suelos que caracterizan a
este proyecto incluyen sedimentos marinos (limos y arcillas grises oscuras), lama (arcilla
orgánica en manglares), fluidos aluviales y relleno. En este mismo aspecto, el Edificio E2
posee el valor mínimo de aceleración obtenido en la planta baja, dicho proyecto lo
caracteriza la Formación Panamá (Fase Volcánica), en donde los suelos corresponden a
sedimentos que son el producto de: (i) la meteorización química de los minerales de hierro,
magnesio y limonita, (ii) el vulcanismo. Este hecho parece indicar que la zona de relleno
que caracteriza al sector Este de la ciudad de Panamá, ofrece cierta amplificación de los
eventos sismológicos que se dan lugar en sus alrededores. Los parámetros de
amortiguamiento obtenidos en el Edifico E2 demuestran un considerable nivel de
atenuación en las componentes x y y.
16
Figura 18 Mapa procesado por la USGS con el software shake map sobre las características del campo de
aceleraciones generadas por el sismo del 4 de Julio de 2009 que se ubico al Este de la Provincia de Colón.
Al comparar estos resultados con los del Servicio Geológico de EEUU (USGS), podemos
observar que dentro de la Ciudad de Panamá se experimento una Intensidad Mercalli
instrumental promedio entre IV a V (ver Figura 18), lo que revela un rango de máximas
aceleración comprendido entre 1,4g y 9,2g. Dicho rango concuerda con los resultados sobre
las máximas aceleraciones obtenidas en las plantas bajas de los edificios estudiados por
nosotros, entre 1,45g a 9,23g.
En cuanto a las frecuencias fundamentales registradas en la azotea de los edificios
seleccionados, los Edificos E2 y E3 mostraron valores muy parecidos en las componentes
(x, y, z).
7. Referencia bibliográfica
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18